(57)【要約】      （修正有）【課題】従来のようにヒートシンクとファンの組み合わせでは、高発熱の複数半導体素子の冷却に対して限界があり、本発明は、複数の半導体素子の熱をそれぞれのヒートパイプで冷媒循環式の冷却装置に移動させ、大量の熱を効率良く放熱できる半導体素子の冷却装置を提供する。【解決手段】複数の高発熱の半導体素子１を冷却するために、それぞれに冷却板３とヒートパイプ４とを設け、熱交換器５、放熱器７およびポンプ８を配管で接続して冷媒が循環する冷却装置の熱交換器５にヒートパイプ４を熱的に結合した。本構成により複数の半導体素子１の熱を効率良く放熱でき、またそれぞれのヒートパイプ４が独立しているため取り扱いが容易であり、故障しても他の半導体素子２に影響を与えない信頼性の高い半導体素子１の冷却装置が得られる。【選択図】図１
2006012874.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に設けられ、発熱体である複数の半導体素子と、前記半導体素子を冷却するためにそれぞれに設けられた冷却板と、前記冷却板とヒートパイプで繋がれた熱交換器とを備え、前記熱交換器と、ファンにより冷却される放熱器と、ポンプとを配管で接続して内部に冷媒が循環する冷却回路を構成したことを特徴とする半導体素子の冷却装置。
【請求項２】
冷却板を銅材で構成し、前記冷却板にヒートパイプの形状に相当する穴を設け、ヒートパイプを前記穴にグリースといっしょに挿入したことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の冷却装置。
【請求項３】
熱交換器に、冷媒を流す内部空間と、ヒートパイプの形状に相当する穴とを個別に設け、前記ヒートパイプを前記穴にグリースと共に挿入したことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の冷却装置。
【請求項４】
冷却板にヒートパイプの形状に相当する穴を設け、ヒートパイプを圧入勘合したことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の冷却装置。
【請求項５】
熱交換器の内部空間にヒートパイプを挿入し、前記ヒートパイプを前記熱交換器に気密的に固定したことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の冷却装置。
【請求項６】
熱交換器の内部空間内に挿入されたヒートパイプにフィンを形成したことを特徴とする請求項５記載の半導体素子の冷却装置。
【請求項７】
熱交換器の内部空間に、連通穴を設けた仕切り板を設けて複数の仕切り空間を形成し、前記仕切り空間にヒートパイプをそれぞれ挿入して気密的に固定したことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の冷却装置。
【請求項８】
冷却回路に使用される冷媒は、熱交換器の内部空間で２相状態となることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の冷却装置。
【請求項９】
放熱器とポンプと熱交換器とをその順番で接続し、前記放熱器と前記ポンプとは前記熱交換器よりも下に配設し、前記放熱器は上部に冷媒の入口を設けて下部に出口を設けたことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の冷却装置。
【請求項１０】
熱交換器の冷媒の出口は下部に設けたことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子装置において高発熱となる半導体素子の冷却装置に関し、特に複数の半導体素子に繋いだ複数のヒートパイプと、冷媒を用いた冷却回路とを連結した、効率が高くて取り扱いが容易な半導体素子の冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の放熱装置としては空冷式のものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図７は、従来のサーバの断面図である。図７において、ＰＣサーバ１０１は、筐体１０８内にフレッシュエアを導入するための吸気口１０９、排気口１１０と、排気口１１０の近傍に設けられた冷却ファン１１１と、冷却ファン１１１によって筐体１０８内に導入されるフレッシュエアを、エアの流れの上流側の領域、つまり上流域にある基板１０４上の発熱部品１０２と、下流側の領域、つまり下流域にある発熱部品１０３とに分散して供給できるように、偏風部１１２を有するダクトケース１１３とを具備する。これにより、上流域にある発熱部品１０２は、吸気口１０９の下段から吸気されたフレッシュエアによって冷却され、一方、下流域にある発熱部品１０３は、吸気口１０９の上段から吸気された、発熱部品１０２に触れていないフレッシュエアによって冷却される。同図のように、発熱量の小さい半導体の素子の冷却ではファン冷却器でも十分冷却されていた。
【０００４】
また、発熱部品の熱をヒートパイプにより伝達して外部に放出するものがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
図８は、従来のコンピュータの一部破断した斜視図である。図８において、コンピュータ２０１は筐体２０６内部の熱を電源２０４の吹き出し部２０９から外部に放出するように送風する電源ファンを備え、中央演算処理装置２０２などの発熱部品の熱を、電源ファンの下流に設けられたヒートシンク２１２までヒートパイプ２０５により伝達して放出し、電源ファンからの風によりコンピュータ２０１の外部に放出する。
【特許文献１】特開２００１−１８９５８４号公報
【特許文献２】特開２０００−２５０６６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のように、ヒートシンクとファンの組み合わせや、その上にヒートパイプを利用した構成では、冷却を空冷式に依存する以上は高発熱の半導体素子の冷却に対して冷却能力的に限界に近づいて来ていた。
【０００７】
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、複数のヒートパイプと冷媒循環式の冷却回路を組み合わせて効率良く放熱でき、取り扱いが容易な冷却装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題を解決するために、請求項１にかかる発明の半導体素子の冷却装置は、基板に設けられ、発熱体である複数の半導体素子と、前記半導体素子を冷却するためにそれぞれに設けられた冷却板と、前記冷却板とピートパイプで繋がれた熱交換器とを備え、前記熱交換器と、ファンにより冷却される放熱器と、ポンプとを配管で接続して内部に冷媒が循環する冷却回路を構成したもので、この構成によりそれぞれの半導体素子の熱を効率良く放熱でき、またそれぞれのヒートパイプが独立しているため取り扱いが容易であり、故障
しても他の半導体素子に影響を与えない信頼性の高い冷却装置が得られる。
【０００９】
また、請求項２の発明は、冷却板を銅材で構成し、前記冷却板にヒートパイプの形状に相当する穴を設け、ヒートパイプを前記穴にグリースといっしょに挿入したもので、それぞれのヒートパイプは冷却板からの取り外しが容易になるとともに、接合部の熱伝導性を向上できる。
【００１０】
また、請求項３の発明は、熱交換器に、冷媒を流す内部空間と、ヒートパイプの形状に相当する穴とを個別に設け、前記ヒートパイプを前記穴にグリースと共に挿入したもので、それぞれのヒートパイプは熱交換器からの取り外しが容易になるとともに、接合部の熱伝導性を向上できる。
【００１１】
また、請求項４の発明は、冷却板にヒートパイプの形状に相当する穴を設け、ヒートパイプを圧入勘合したもので、さらに伝熱性能を向上することができる。
【００１２】
また、請求項５の発明は、熱交換器の内部空間にヒートパイプを挿入し、前記ヒートパイプを前記熱交換器に気密的に固定したもので、それぞれのヒートパイプ４が直接冷媒と熱交換するために効率が良い。
【００１３】
また、請求項６の発明は、熱交換器の内部空間内に挿入されたヒートパイプにフィンを形成したもので、伝熱面積が増えることにより熱交換効率がさらに向上する。
【００１４】
また、請求項７の発明は、熱交換器の内部空間に、連通穴を設けた仕切り板を設けて複数の仕切り空間を形成し、前記仕切り空間にヒートパイプをそれぞれ挿入して気密的に固定したもので、熱交換器の強度が強くなり、コストの廉価な材料からの製造が可能となる。
【００１５】
また、請求項８の発明は、冷却回路に使用される冷媒が、熱交換器の内部空間で２相状態となるもので、熱交換器内の温度を均一に保つことができるため、多くの半導体素子をほぼ同じ温度に冷却することが可能となる。
【００１６】
また、請求項９の発明は、放熱器とポンプと熱交換器とをその順番で接続し、前記放熱器と前記ポンプとは前記熱交換器よりも下に配設し、前記放熱器は上部に冷媒の入口を設けて下部に出口を設けたもので、冷媒の蒸気が発生した場合のガス噛みによるポンプ性能の低下を避けることができ、信頼性の高い構成を得ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明の半導体素子の冷却装置は、発熱体である複数の半導体素子を冷却するために設けたそれぞれのヒートパイプと、熱交換器、放熱器およびポンプを繋ぎ冷媒が循環する冷却回路とを熱的に連結したもので、この構成によりそれぞれの半導体素子の熱を効率良く放熱でき、またそれぞれのヒートパイプが独立しているため取り扱いが容易であり、故障しても他の半導体素子に影響を与えない信頼性の高い冷却装置が得られる。
【００１８】
また、請求項１０の発明は、熱交換器の冷媒の出口は下部に設けたもので、液冷媒が流れるようにして循環効率の低下を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体の冷却装置の模式図で、複数の基板（サーバ）が枠体に収められた状態を示す。図１において、複数の半導体素子１がサーバ枠体内の６台の基板２に設置されている。高発熱体である半導体素子１を冷却するための冷却板３がそれぞれの半導体素子１の上に熱的に密着して設置されている。それぞれの冷却板３にはヒートパイプ４が接合されており、それぞれのヒートパイプ４の他端は熱交換器５の内部空間９に挿入されて熱交換器５に気密的にろう付け接合されている。熱交換器５は、ファン６で冷却される放熱器７とポンプ８とともに配管で接続されて冷却回路を構成し、冷却回路内には冷媒が封入されている。
【００２１】
かかる構成によれば、サーバ枠体内に設置されたそれぞれの高発熱半導体素子１の熱が冷却板３に伝わり、冷却板３に接合されたヒートパイプ４により熱交換器５に集められる。熱交換器５に集められた熱は熱交換器内の冷媒と熱交換を行い、ポンプ８により放熱器７に送られ、ファン６により放熱することができる。なお、ポンプ８は放熱器７の後に配設することにより、冷媒が凝縮されてガス噛みのない効率がよい運転ができる。
【００２２】
また、この構成によればそれぞれの高発熱な半導体素子の冷却はそれぞれのヒートパイプで独立して行われるため、取り扱いが容易であり、１つのヒートパイプが故障しても他の半導体素子の冷却に影響を及ぼさないため、信頼性の高いシステムを得ることができる。
【００２３】
図２は本発明の実施の形態１における冷却板３とヒートパイプの接合断面図である。図２において、冷却板３は熱伝導率の良い銅材で構成されており、ヒートパイプ形状に相当する穴があけられ、その穴にヒートパイプ４がグリースと共に挿入されて密接に接合されている。この構成によれば、それぞれのヒートパイプは取り外しが容易であり、冷却装置のサーバ枠体への設置、取り外しが容易にできる。また、接合部にはグリースが介在しているため熱伝導の良い構成となっている。
【００２４】
接合部にグリースを用いているが、さらに伝熱性能を向上するために圧入勘合を行っても良い。
【００２５】
図３（ａ）は本発明の実施の形態１における熱交換器の断面図で、図３（ｂ）は同じく熱交換器の平面図である。図３において、熱交換器５に内部空間９と複数のヒートパイプ４との接合穴が構成されている。その接合穴にヒートパイプ４がグリースと共に挿入されて密接している。この構成によればそれぞれのヒートパイプは熱交換器５からの取り外しが容易となり、冷却装置のサーバ枠体への設置、取り外しが容易にできる。また、接合部にはグリースが介在しているため熱伝導の良い構成となっている。
【００２６】
冷却回路内を循環する冷媒には、水などの液体であれば特に限定するものではないが、ＨＦＣ冷媒、アンモニアやプロパン等の自然冷媒を使用して、ヒートパイプ４との熱交換時に冷媒が２相状態になるように構成すれば、冷媒の潜熱による熱交換となって熱交換器５内の温度を均一に保つことができるため、多くの半導体素子をほぼ同じ温度に冷却することが可能となる。この場合には、ヒートパイプ４が常に液冷媒に接触するように構成することが望ましい。また、熱交換器５の冷媒の出口は、循環効率が低下しないために液冷媒が流れるように下部の設けることが望ましい。
【００２７】
図４は、本発明の実施の形態１における半導体素子の冷却装置の設置模式図である。図４において、基板２や冷却板３、および熱交換器５の設置されている枠体の下方に、放熱器７およびポンプ８が設置されている枠体が設置されている。また、熱交換器５からの出口配管は、放熱器７の上部の配管に繋がり、放熱器７の下部に出口配管が設置されてポン
プ８に繋がっている。
【００２８】
この構成によれば、冷却回路内に冷媒の蒸気が発生した場合、熱交換器５の内部空間９内に蒸気が溜まり、下方の放熱器７およびポンプ８には液冷媒が流れる。また、停止時にもポンプに冷媒が溜まるため、ガス噛みによるポンプ性能の低下を避けることができ、信頼性の高い構成を得ることができる。
【００２９】
（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２における熱交換器の断面図である。図５において、熱交換器５の内部空間９に複数のヒートパイプ４が挿入され、気密的にろう付け固定されている。また、挿入されたそれぞれのヒートパイプの先端に複数のフィン１０が形成されている。この構成によれば、それぞれのヒートパイプ４が直接冷媒と熱交換するために効率が良いとともに、ヒートパイプ４に取り付けられたフィンにより、より効率の良い熱交換ができる。
【００３０】
（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３における熱交換器の断面図である。図６において、熱交換器５の内部空間９に連通穴１１を設けた仕切り板１０を複数個設置し、それぞれの仕切り空間にヒートパイプを差し込み熱交換器５にろう付け固定した構成となっている。この構成によれば仕切り板で区切られている為、熱交換器の強度が強くなり、コストの廉価なパイプからの構成が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体素子の冷却装置の模式図
【図２】本発明の実施の形態１における冷却板とヒートパイプの接合断面図
【図３】本発明の実施の形態１における熱交換器の断面図
【図４】本発明の実施の形態１における半導体素子の冷却装置の設置模式図
【図５】本発明の実施の形態２における熱交換器の断面図
【図６】本発明の実施の形態３における熱交換器の断面図
【図７】従来のサーバの断面図
【図８】従来のコンピュータの一部破断した斜視図
【符号の説明】
【００３２】
１  半導体素子
２  基板
３  冷却板
４  ヒートパイプ
５  熱交換器
６  ファン
７  放熱器
８  ポンプ
９  内部空間
１０  フィン
１１  連通穴
【図１】
2006012874.tif 000003
【図２】
2006012874.tif 000004
【図３】
2006012874.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006012874.tif 000007
【図６】
2006012874.tif 000008
【図７】
2006012874.tif 000009
【図８】
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